Электроника:Эксперименты/Дискретные полупроводниковые схемы/Простой операционный усилитель

Материал из Онлайн справочника
Перейти к навигацииПерейти к поиску

Перевод: Макаров В. (valemak) Контакты:</br>* Habr: @vakemak</br>* Сайт: www.valemak.com</br>Перевёл статей: 656.
Проверка/Оформление/Редактирование: Мякишев Е.А.


Простой операционный усилитель[1]

Оборудование и материалы

Ссылки по теме

Цели эксперимента

Принципиальная схема

Рис. 1. Схематическая диаграмма: простой операционный усилитель.
Рис. 1. Схематическая диаграмма: простой операционный усилитель.

Иллюстрации

Рис. 2. Иллюстрация: простой операционный усилитель.
Рис. 2. Иллюстрация: простой операционный усилитель.

Ход эксперимента

Эта схема является улучшенным вариантом дифференциального усилителя, показанного ранее. Вместо того, чтобы использовать резисторы для снижения напряжения в цепи дифференциальной пары, используется набор токовых зеркал, в результате чего достигается более высокий коэффициент усиления по напряжению и более предсказуемые характеристики.

С более высоким коэффициентом усиления по напряжению эта схема способна функционировать как рабочий операционный усилитель. Операционные усилители составляют основу многих современных аналоговых полупроводниковых схем, поэтому важно понимать их внутреннюю работу.

PNP-транзисторы Q1 и Q2 образуют токовое зеркало, которое пытается удерживать ток, разделённый поровну при прохождении через дифференциальные пары из двух транзисторов Q3 и Q4. NPN-транзисторы Q5 и Q6 образуют ещё одно токовое зеркало, устанавливая общий ток дифференциальной пары на уровне, заданном «программирующим» резистором RПрг..

Измерьте выходное напряжение (напряжение на коллекторе транзистора Q4 относительно «земли») при изменении входного напряжения. Обратите внимание, как два потенциометра по-разному влияют на выходное напряжение: один вход управляет выходным напряжением в одном направлении (неинвертирующий), а другой – выходным напряжением в противоположном направлении (инвертирующий).

Вы заметите, что выходное напряжение наиболее чувствительно к изменениям на входе, когда два входных сигнала почти равны друг другу.

Как только дифференциальная характеристика схемы будет подтверждена (резкий переход выходного напряжения от одного предельного уровня к другому, когда один вход регулируется выше и ниже уровня напряжения другого входа), вы готовы использовать эту схему в качестве реального операционного усилителя. Простая схема на операционном усилителе, называемая повторителем напряжения, является хорошей конфигурацией, которую можно попробовать в первую очередь.

Чтобы сделать схему повторителя напряжения, соедините напрямую выход усилителя с его инвертирующим входом. Это означает соединение клемм коллектора и базы Q4 вместе и отказ от «инвертирующего» потенциометра:

Рис. 3. Схема повторителя напряжения.
Рис. 3. Схема повторителя напряжения.
Рис. 4. Обозначение для простого операционного усилителя (с проводом обратной связи).
Рис. 4. Обозначение для простого операционного усилителя (с проводом обратной связи).
Рис. 5. Повторитель напряжения на беспаечной макетной плате.
Рис. 5. Повторитель напряжения на беспаечной макетной плате.

Обратите внимание на треугольный символ операционного усилителя, показанный на принципиальной схеме (рисунок 4 выше). Инвертирующий и неинвертирующий входы обозначены символами «-» и «+» соответственно, а выходной разъём находится на правой вершине.

Провод обратной связи, соединяющий выход с инвертирующим входом, показан красным на приведённых выше схемах (рисунки 3, 4 и 5 выше). В качестве повторителя напряжения выходное напряжение должно «следовать» входному напряжению очень близко, отклоняясь не более чем на несколько сотых вольта.

Это гораздо более точная схема повторителя, чем схема с одним транзистором с общим коллектором, описанная в более раннем эксперименте! Более сложная схема операционного усилителя называется неинвертирующим усилителем, и в ней используется пара резисторов в контуре обратной связи для «обратной связи» части выходного напряжения на инвертирующий вход, в результате чего усилитель выдаёт на выходе напряжение, равное некоторому кратному напряжения на неинвертирующем входе.

Если мы используем два резистора одинакового номинала, напряжение обратной связи будет составлять ½ выходного напряжения, в результате чего выходное напряжение станет вдвое больше напряжения, подаваемого на неинвертирующий вход. Таким образом, у нас есть усилитель напряжения с точным коэффициентом усиления 2:

Рис. 6. Схема повторителя напряжения (добавлены два резистора).
Рис. 6. Схема повторителя напряжения (добавлены два резистора).
Рис. 7. Обозначение для простого операционного усилителя (с проводом обратной связи; добавлены два резистора).
Рис. 7. Обозначение для простого операционного усилителя (с проводом обратной связи; добавлены два резистора).
Рис. 8. Повторитель напряжения на беспаечной макетной плате (добавлены два резистора).
Рис. 8. Повторитель напряжения на беспаечной макетной плате (добавлены два резистора).

При тестировании этой схемы неинвертирующего усилителя вы можете заметить небольшие расхождения между выходным и входным напряжениями. В соответствии с номиналами резисторов обратной связи коэффициент усиления по напряжению должен быть ровно 2.

Однако вы можете заметить отклонения порядка нескольких сотых вольта между выходным напряжением и тем, каким оно должно быть. Эти отклонения связаны с несовершенством схемы дифференциального усилителя и могут быть значительно уменьшены, если мы добавим дополнительные каскады усиления для увеличения коэффициента усиления по дифференциальному напряжению.

Однако одним из способов максимизировать точность существующей схемы является изменение сопротивления RПрг. Этот «программирующий» резистор задаёт контрольную точку нижнего токового зеркала и тем самым влияет на многие рабочие параметры операционного усилителя.

Попробуйте подставить значения разностного сопротивления в диапазоне от 10 кОм до 1 МОм. Не используйте сопротивление менее 10 кОм, иначе транзисторы токового зеркала могут начать перегреваться, вследствие чего с ними приключится «тепловой разгон».

Некоторые операционные усилители, доступные в сборке, предоставляют пользователю возможность аналогичным образом «запрограммировать» токовое зеркало дифференциальной пары и называются программируемыми операционными усилителями. Большинство операционных усилителей не программируются, и их внутренние контрольные точки токового зеркала фиксируются внутренним сопротивлением, подогнанным до точного значения на заводе.

См.также

Внешние ссылки